齊大山鐵礦中深孔爆破振動測試與分析

李傳林，高 原，王永增，張大寧，張國慶

(1.鞍鋼礦業集團齊大山鐵礦， 遼寧 鞍山市 114043； 2.遼寧科技大學， 遼寧 鞍山市 114051)

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齊大山鐵礦中深孔爆破振動測試與分析

李傳林1，高 原2，王永增1，張大寧2，張國慶1

(1.鞍鋼礦業集團齊大山鐵礦， 遼寧 鞍山市 114043； 2.遼寧科技大學， 遼寧 鞍山市 114051)

為了分析齊大山鐵礦爆破振動的衰減情況，在露天采場距爆源不同距離處布設測振儀，并運用配套軟件對采集的爆破振動數據進行三維矢量合成，獲得了炸藥爆炸之后整體波形變換和能量分布情況。基于試驗測量數據推導出了齊大山鐵礦的爆破振動速度計算公式。

露天礦；中深孔爆破；爆破振動；振動速度

當前，在我國的大型露天礦開采過程中，中深孔爆破技術的運用已經越來越成熟，基于中深孔爆破的單孔裝藥量大，單次起爆藥量大等一系列特點，從而加劇了爆破地震效應的不可控性。而彈性振動的地震波則是爆炸以后能量轉換的主要形式之一，當爆破振動達到一定的強度時，可以造成爆區周圍建筑物和構筑物的破壞。因此，為了研究爆破地震效應的破壞規律，找出減小爆破地震強度的措施和確定出爆破地震的安全距離，對爆破地震效應進行系統的觀測和研究是非常必要的[1]。

1 工程概況

齊大山露天礦1970年投產，1993年擴建，設計年礦石開采量達1700萬t，其基礎儲量達6.6億t，資源量為6.88億t左右，查明保有資源儲量高達13.5億t。當前齊大山鐵礦在鞍鋼集團礦業公司六大鐵礦石基地之中，采礦規模、礦山機械化、生產技術和工作效率等均位于前列，礦石成本更是低至65.39元/t，同時也是經濟效益最好的礦山之一。礦山在生產過程中采用公路—破碎站—膠帶機聯合開拓運輸，采用以55°～65°為臺階坡面角，12，13，15 m為臺階高度的縱、橫、陡幫開采方法。主要使用45R牙輪鉆機鉆鑿Φ250 mm的孔，用高精度導爆管雷管和多孔粒狀銨油炸藥和乳化油炸藥爆破[2]。

2 中深孔爆破試驗方案

在本次中深孔爆破測試試驗中，設計爆破孔147個，孔深15 m，孔間距7.5 m，孔排拒7.5 m，超深3.01 m，段高11.99 m。選用乳化銨油炸藥，剝離的巖石種類為玢巖，裝藥結構為連續柱狀裝藥。預計使用炸藥總量59850 kg，爆破巖石總量184114.13 t，平均炸藥單耗0.325 kg/t。

本次中深孔爆破采用多排微差爆破技術和預裂技術。起爆網絡采用地表微差，聯線方式采用串并聯聯接，起爆順序為逐孔起爆。網絡類型為非電毫秒微差起爆網絡，方形布孔，爆破類型為邊幫爆破，微差延時中采用25，9，65 ms 3種微差類型，其中孔內為133發400 ms雷管，地表為35發25 ms雷管、3發9 ms雷管、95發65 ms雷管以及133發(0.5 kg)起爆彈和2條200 m主線導爆管，炮孔布置如圖1。

圖1 炮孔布置

3 爆破振動測試

3.1 測試儀器和方法

依據我國的《爆破安全規程》可知，破壞判據主要以地表質點振動速度為主。在早期，課題組采用成都中科動態有限公司研制的IDT-S3850型測振儀，隨著現場試驗的環境和設計要求的提高,課題組從成都中科動態有限公司采購了TC-4850型測振儀器,它比IDTS-3850振動記錄儀在各方面都更加優越,主要表現在以下方面:全中文液晶屏顯示，可以在現場脫離計算機完成測試；大容量存儲，可連續記錄1000段以上數據；儀器可全自動運行，量程自動選擇，觸發記錄模式自動選擇；采用鋰電池供電，支持儀器連續工作60 h以上；一體化三維傳感器，安裝方便、接線簡單、即插即用，并且大大降低了安裝探頭導致的人為操作誤差；支持GPRS無線傳輸、短信報警等功能。

3.2 測點布置

爆破時炸藥的部分能量轉換為地震波，從爆源以波的形式向外傳播，經過介質而達到地表，引起地表振動，這種振動隨著爆心距的增加而減弱[4]。因此，通過調整距離爆源的遠近位置來測試不同位置的地震波速。在本次爆破實驗中，為了降低操作過程所帶來的測量誤差，總共使用了6個爆破振動記錄儀。考慮地形和工作面的環境等因素，本次試驗采用雙排布置爆破振動儀,分別布設在靠幫邊坡和邊坡的兩側。1，2，3號儀器擺放在靠幫邊坡一側，4，5，6號儀器擺放在靠近邊坡一側。1號儀器所擺放的位置距起爆區50 m處；2號儀器擺放在距1號儀器水平距離30 m處；3號儀器擺放在距2號儀器水平距離30 m處；4號儀器所擺放的位置為距起爆區50 m處；5號儀器擺放在距4號儀器水平距離30 m處；6號儀器擺放在距5號儀器水平距離30 m處。同時，靠幫邊坡擺放儀器位置和邊坡擺放儀器位置之間相距20 m。儀器具體布設位置如圖2所示。

圖2 爆破振動儀的布設示意

3.3 爆破測試結果

將現場采集的振動數據導入計算機并進行處理。各測點X、Y和Z軸的振動波形和數據匯總分別如圖3和表1～表6所示。

圖3 各儀器所測振動波形

表2 2號儀器爆破振動數據

表3 3號儀器爆破振動數據

表4 4號儀器爆破振動數據

表5 5號儀器爆破振動數據

表6 6號儀器爆破振動數據

4 爆破振動數據分析

4.1 振動基本要素分析

通過把測點X、Y和Z軸上的數據進行三維矢量合成來獲取炸藥爆炸之后整體波形變換和能量分布情況。通過分析圖4可得如下結論：

(1) 在測點1處，0～0.01625 s時間內，主頻迅速增大，當到達0.01625 s時，主頻達到最大值48.78 Hz，振動速度也到達最大值4.316804 cm/s，之后伴隨著能量的耗散，主頻和振動速度呈振動式下降趨勢，在0.6 s之后，能量衰減趨于穩定。

(2) 在測點2處，0～0.02063 s時間內，主頻迅速增大，當到達0.02063 s時，主頻瞬時達到1333.333 Hz之大，振動速度也到達最大值3.708023 cm/s，之后伴隨著能量的耗散，主頻和振動速度呈振蕩式下降趨勢，衰減趨勢較測點1平緩，在經過0.6 s后，能量衰減趨于穩定。

(3) 在測點3處，0～0.01275 s時間內，主頻迅速增大，增速快于測點1和測點2，當到達0.01275 s時，主頻瞬時達到最大值67.797 Hz，并且到達峰值所需時間較小，振動速度達到最大值3.100089 cm/s，能量在隨后時間內迅速衰減，當到達0.2 s后，能量衰減逐漸趨于平穩。

(4) 在測點4處，0～0.01825 s時間內，主頻迅速增大，當到達0.01825 s時，主頻達到最大值47.059 Hz，振動速度達到最大值5.886508 cm/s，振動幅度隨后急劇下降，相比其他幾個測點，該測點衰減振蕩周期較少，每次振蕩衰減幅度較大，當到達0.2 s后，能量衰減逐漸趨于平穩。

(5) 在測點5處，0～0.01612 s時間內，主頻急劇擴大，當到達0.01612 s時，主頻瞬時達到最大值50 Hz，振動速度達到最大值4.58234 cm/s，隨即產生一次較大的幅值下降，接著經過幾次微幅的振蕩變換，產生一個較大的區域最大值，然后能量開始逐漸衰減，在0.3 s時趨于穩定。

(6) 在測點6處，0～0.01512 s時間內，主頻急劇擴大，當到達0.01512 s時，主頻達到48.193 Hz，振動速度達到最大值3.224052 cm/s，隨后，振動伴隨著振蕩式變換，能量在0.4 s時到達平穩。

4.2 爆破振動速度計算公式

薩道夫斯基質點振動速度計算公式如下：

(1)

式中，V為質點振動速度，cm/s；R為測點到藥包中心(或爆區)的距離，m；Q為裝藥量，kg，齊發爆破取總藥量，微差爆破為最大一段藥量；K和α分別為衰減系數和衰減指數。

圖4 各儀器三維矢量合成

式(1)中，K值和α值的確定與爆破點至測點間的地形和地質條件有關，一般根據現場爆破試驗測得的振動速度數據進行回歸計算得出[5]。根據本次試驗的數據，計算得到的K值和α值分別為K=76.41，α=0.8405，因此，質點振動速度計算公式如下：

(2)

4.3 爆破振動頻率分析

以《爆破安全規程》(GB6722-2011)為依據，結合現場所測數據進行安全評估。由《爆破安全規程》可知，地震波頻率高，爆破振動允許安全速度限值亦高，即爆破振動對建筑物的潛在危害就越小。本次試驗所測頻率在10.3760～28.6865 Hz范圍內，大于一般建筑物結構自振頻率(1～10 Hz)因此，可以忽略共振現象所帶來的危害。

5 結 論

(1) 通過對現場獲取的爆破振動數據進行處理分析，可以得到含有頻率等基本參數指標的圖形，在圖形中能夠生動直觀的展現整體變化趨勢以及在全過程中何時出現奇異情況，這些都為具體分析振動情況提供了基礎。

(2) 使用儀器配套軟件對數據進行三維矢量合成，從圖形中可以獲取X、Y和Z軸3個方向綜合作用。在分析6個測點的數據后，可以發現，在開始很短時間內主頻瞬間達到最大值，然后開始振蕩衰減，最后趨于平穩狀態。

[1]戴 俊.爆破工程[M].北京:機械工業出版社，2010.

[2]楊 育.面對國外國內兩種資源條件下未來齊大山鐵礦的發展[D].鞍山.遼寧科技大學,2007.

[3]汪新亭.程潮鐵礦地下開采中深孔爆破震動研究[D].武漢:武漢科技大學,2007.

[4]喬建軍.露天礦山爆破振動測試及分析[J].銅業工程,2013,120(2):46-48.

[5]李典兵,曲炳強,吳昌曉.地下中深孔爆破震動測試[J].現代礦業,2010,26(8):96-98.(收稿日期：2015-10-16)

李傳林(1961-)，山東淄博人，工程師，主要從事爆破工程方面的研究，Email:1740106727@qq.com。